Domande Fermentazioni

Equazione di una retta

Il testo fornisce l'equazione di una retta come Y = mx + q. Si costruisce quindi la retta su un piano cartesiano con 1/S sull'asse delle x e 1/μ sull'asse delle y. L'intercetta sull'asse delle y è data da 1/μ max e quindi è possibile calcolare μ max, mentre il coefficiente angolare è pari a Ks/μ max, quindi è possibile calcolare Ks. Ks indica l'affinità del microrganismo per il substrato e si trova al denominatore dell'equazione di Monod, quindi si ha una relazione inversa rispetto a μ. Questo implica che a un alto valore di Ks, si ha una bassa affinità per il substrato, mentre a un valore basso di Ks, si ha un'alta affinità. In base alla tipologia di substrato, le curve possono essere diverse in quanto si può avere una repentina diminuzione con una fase logaritmica pronunciata e quindi si ottiene un Ks.

basso e un'alta affinità; oppure si può avere una decelerazione lunga perché il substrato diventa limitante anche ad elevate concentrazioni, quindi si ottiene una Ks alta. In un processo batch la Ks deve essere bassa e in questo modo diventa trascurabile nell'equazione, ottenendo quindi μ = μmax; questo è possibile utilizzando un substrato idoneo allo sviluppo che si verifica per molto tempo a μmax. Il processo è ottimizzato e si ottengono alte rese in un tempo minore e quindi con costi minori.

Coltura continua: parametri coinvolti, concetto di steady state, bilanci di biomassa e di substrato. La coltura continua è un prolungamento della coltura batch e quindi consente una riduzione dei tempi morti; è un sistema aperto con un flusso in ingresso di terreno colturale e un flusso in uscita di coltura, substrato residuo, cellule e metaboliti, quindi il volume è costante. Quando si imposta una coltura continua i tempi.di produzione sono molto maggiori rispetto a quelli di carico e di scarico: dal tempo zero si ha la crescita del microrganismo fino a quando la curva di sviluppo non diventa parallela all'asse del tempo; questo succede in quanto la quantità di cellule che crescono è uguale a quella che viene dilavata ottenendo una curva della biomassa costante per molto tempo. I parametri fondamentali della coltura continua sono: - il volume V del reattore che rimane costante durante il processo e viene espresso in m^3, - i flussi in ingresso e in uscita che sono costanti ed espressi in L/h o m^3/h, - S0 è il substrato in ingresso, - S è il substrato residuo che è sempre presente in uscita, - X è la concentrazione di biomassa nel flusso in uscita; - si ha poi D che è la velocità di diluizione ed è data dal rapporto tra il flusso e il volume: D = F/V, dove V è costante e F in ingresso è uguale a F in uscita e quindi D si misura in 1/h.

Il reciproco di D è il tempo di residenza che si misura in h ed è il tempo medio di distanzionamento delle cellule prima di essere dilavate, detto anche holding time 1/D.

La coltura continua può essere monostadio, ovvero con il reattore e il flusso di uscita va in un tank dove viene periodicamente accumulato e successivamente lavorato nel downstream, oppure multistadio, dove quello che esce dal primo reattore diventa il flusso di ingresso di un secondo reattore e così via, quindi si sfrutta al massimo la possibilità che il microrganismo ha di usare anche il residuo che esce dal primo fermentatore.

Quando si allestisce una coltura continua, si parte da una coltura batch fino alla fase esponenziale dove si ha l'attivazione del flusso in ingresso e in uscita e da questo punto in poi la concentrazione di biomassa è parallela al tempo, quindi si ha un equilibrio tra sviluppo e dilavato, ovvero la velocità di sviluppo equivale la velocità di uscita delle cellule.

Per avere l'equilibrio la velocità D deve essere minore di μ max e la produzione di biomassa deve essere costante, quindi la stabilità si ha se il tempo di residenza Tr è maggiore di D; il Tr si calcola come 1/D e quando è maggiore del valore D si raggiunge lo steady state, ovvero una situazione di equilibrio. Se invece Tr è minore di D, il microrganismo viene dilavato prima di utilizzare il substrato e questo avviene con un flusso pari a D critico.

Nella coltura continua è importante valutare il rapporto tra D e X e S in quanto si possono avere diverse situazioni: se D è molto alto e maggiore a D critico, allora il microrganismo viene dilavato prima di utilizzare il substrato, quindi è una situazione molto instabile che non viene applicata. Se D è uguale a μ max e quindi a D critico si ha la situazione ottimale in quanto si sfrutta la massima potenzialità del microrganismo ma è molto instabile in quanto se

scarico e S accumulato nel reattore. Nel caso di coltura continua, si raggiunge lo steady state quando la variazione di substrato è nulla, quindi dS/dT = 0. In questo caso, la velocità di consumo del substrato (qS) è uguale alla velocità di alimentazione del substrato (F) diviso per la concentrazione del substrato nel reattore (S), ovvero qS = F/S. Pertanto, se F è alto, il consumo di substrato è elevato. Infine, è importante considerare anche il bilancio di ossigeno. La variazione di ossigeno nel tempo è data dalla differenza tra l'ingresso, l'uscita, l'ossigeno consumato dal microrganismo e l'ossigeno disciolto nel reattore. Anche in questo caso, si raggiunge lo steady state quando la variazione di ossigeno è nulla, quindi dO2/dT = 0. La velocità di consumo di ossigeno (qO2) è uguale alla velocità di crescita del microrganismo (µ) moltiplicata per il coefficiente di consumo di ossigeno (Yx/O2), ovvero qO2 = µ * Yx/O2. Pertanto, se µ è alto, il consumo di ossigeno è elevato. In conclusione, nella coltura continua è importante trovare un equilibrio tra la velocità di sviluppo del microrganismo, il consumo di substrato e il consumo di ossigeno. Lavorare a valori di D inferiori a D critico e minori di µmax permette di raggiungere lo steady state e di ottenere un'adeguata autoregolazione del processo.sviluppo e S usato per fare prodotto. Per raggiungere lo steady state, il substrato non deve variare nel tempo, quindi dS/dT = 0 e quindi S0 - S = X/Y.dS = input - output - S utilizzato[sviluppo] - S utilizzato[prodotto]dt. Da questi bilanci si capisce che variando i flussi è possibile variare la velocità di sviluppo x(x) microbico: ponendo in un grafico sull'asse x il valore di D e sull'asse delle y la concentrazione di biomassa X o di substrato S, all'origine degli assi D = 0, quindi si è in condizioni batch dove la concentrazione di substrato allo stato di biomassa è massima e il substrato viene consumato. Quando si attivano i flussi, la biomassa diminuisce e aumenta il substrato residuo fino a D critico, ovvero il punto in cui si ha un crollo repentino della biomassa in quanto la velocità dei flussi è troppo elevata.quindi il microrganismo viene subito dilavato e rimane soltanto il terreno colturale. Anche nel caso della coltura continua, si può valutare il parametro Ks, ovvero la concentrazione di substrato per cui il microrganismo si sviluppa ½ μmax; Ks indica l'affinità del microrganismo per il substrato e minore è la Ks, maggiore è l'affinità. In particolare, guardando sempre la curva D/S o X si nota che con un Ks basso la concentrazione di biomassa rimane per più tempo a valori elevati prima di D critico e il substrato residuo è minore; nel caso invece di Ks elevata, si ha una bassa affinità e quindi la concentrazione di biomassa inizia a diminuire prima in quanto il microrganismo soffre di più e il substrato residuo aumenta. 4) Approfondimenti coltura continua Esistono due modi per fare una coltura continua: usare un reattore tradizionale agitato STR standard con una valvola per l'ingresso di substrato e unavalvola con l'uscita di coltura e un sistema di agitazione meccanica ottenendo un sistema omogeneo dall'inizio alla fine, dove si ha un continuo ingresso di S e una continua fuoriuscita di brodo coltura. Si ha un sistema non più chiuso ma aperto. Oppure si fa fare alla coltura un percorso lungo un reattore tubolare, quindi si ha un sistema eterogeneo perché all'inizio del reattore si hanno poche cellule e molto substrato e man mano che la coltura compie il percorso verso l'uscita i microrganismi usano il substrato, fanno prodotto e crescono, quindi si hanno più microrganismi che S. La coltura continua può essere allestita in due modi diversi: Il chemostato è una delle metodiche più utilizzate; si ha una pompa che gestisce l'ingresso del terreno che deve lavorare in sincrono con la pompa che gestisce l'uscita che va in un altro serbatoio e poi al downstream; si hanno il bioreattore con due serbatoi, i filtri per.del processo avviene in modo automatico. Nel primo metodo, chiamato sterilizzazione del terreno, il terreno viene trattato per eliminare eventuali microrganismi presenti. Questo può avvenire attraverso l'utilizzo di calore, pressione o sostanze chimiche. Una volta sterilizzato, il terreno è pronto per essere utilizzato come substrato per la crescita dei microrganismi. Nel secondo metodo, chiamato fermentatore a volume costante, il volume del fermentatore rimane costante durante tutto il processo di fermentazione. Il substrato viene fornito ai microrganismi in quantità limitata, in modo che non sia mai in eccesso. Inoltre, la velocità di lavoro non è massima, ma viene controllata per influenzare la velocità di crescita dei microrganismi. La concentrazione di substrato (S) è un fattore limitante che influenza la velocità di crescita. Il fermentatore a volume costante richiede un controllo esterno da parte dell'operatore. L'operatore può aumentare o diminuire la concentrazione di substrato, influenzando così la velocità di sviluppo dei microrganismi. Nel terzo metodo, chiamato turbidostato, il fermentatore è dotato di una pompa di ingresso e di un sistema di scarico della coltura. Il terreno utilizzato è formulato con un eccesso di substrato, in modo che i microrganismi possano crescere alla massima velocità. Una fotocellula misura la torbidità del sistema e, quando raggiunge il setpoint impostato, attiva automaticamente il sistema di scarico della coltura. Viene quindi scaricata una parte della coltura e viene caricato nuovo terreno colturale. Se il sistema di carico e scarico viene regolato correttamente e la torbidità rimane costante, il controllo del processo avviene in modo automatico.è interno e il microrganismo cresce a velocità massima e poi viene scaricato. Tutti gli elementi sono in eccesso e il microrganismo cresce a μ max. La condizione fondamentale del chemostato è che il volume della coltura deve rimanere costante e uno dei problemi più importanti è che nelle colture areate si ha una parte del terreno colturale che può essere evaporato con lo sfiato; nel fermentatore dalla parte agganciata in basso si ha uno sfiato che consente l'uscita dei gas di scarico che se sono molto umidi ciò che esce è anche una parte dell'acqua presente nella formulazione. Per evitare questo, si aggancia un condensatore ai gas in uscita che è un serpentino in cui circola acqua fredda e l'aria che esce dallo sfiato a contatto con l'ambiente freddo condensa l'umidità presente nell'aria e ricade nel fermentatore. Ci sono diversi metodi per gestire il controllo del volume: Il dispositivo

a troppo pieno è fatto da una tu